一种展示3D打印原理的机电装置设计

朱云龙 孙业中 胡 品

（合肥探奥自动化有限公司，安徽合肥230022）

0 引言

3D打印技术是基于三维CAD模型数据，通过增加材料进行逐层制造的。3D打印技术涵盖了产品快速原型和快速制造相关的技术、设备和应用，已在机械、教育、医疗、航空等领域有了极其广泛的应用[1]。当前，3D打印技术正越来越多地在科技馆等场所向公众进行展示。本文设计了一种机电装置，用于展示3D打印的原理和过程，区别于以往的展示，该装置更加直观和形象。

1 技术调研

针对3D打印技术的科普展示，目前较多地采用图文和多媒体视频，或采购3D打印机设备在科技馆内进行展示。图文和多媒体视频缺少互动性，而3D打印机打印模型通常要耗费较长时间，不适应科技馆场所内观众参观体验的需求。目前尚无机电装置模拟展示3D打印原理的产品，本文的研究有较大创新性。

2 装置组成

装置由打印展示系统、显示屏、异形模型、模型识别区、摇杆、按钮、颗粒、回收漏斗、台体等组成。颗粒的粒度小于0.2 mm，异形模型为5个打印参考模型。打印展示系统包含16层有机玻璃板组件、打印喷头组件、翻转回收机构等结构。

3 装置操作互动流程

观众从异形模型中选择一个模型，放入识别区，显示屏中显示该模型的16层截面轨迹，并显示“自动模式”和“手动模式”选项。

自动模式：打印展示系统中最下面一层有机玻璃板转出，打印喷头在有机玻璃板上按照该层截面轨迹投放颗粒；完成后，喷头上移，转出第二层有机玻璃板，再按照相应轨迹投放颗粒；如此重复，直至16层有机玻璃板都投放完成。观众对比观看有机玻璃板中颗粒形成的造型与选择的模型。

手动模式中，观众可以通过摇杆选择一层或多层进行打印，观看打印结果。

4 装置关键结构设计

4.1 有机玻璃板组件及翻转回收机构设计

装置中的有机玻璃板长270 mm、宽180 mm、厚3 mm，无色透明，相邻两层有机玻璃板下表面之间的间距为17.5 mm。有机玻璃板通过一块碳纤维板固定在一根转动轴上，碳纤维板与一个分度圆直径φ=60 mm、齿数Z=120的大齿轮固定连接，与电机输出轴相连的齿轮选用了分度圆直径φ=7.5 mm、齿数Z=15的小齿轮。

有机玻璃板旋转时，不要求高转速和大扭矩，但由于每层有机玻璃板之间的间距会影响成像效果，所以对动力的尺寸有一定要求。故选用一种微型蜗轮蜗杆减速直流电机，减速箱输出轴与马达轴垂直布置，不带电时能自锁，电机额定转速17 r/min，额定扭矩0.6 kg·cm，额定电压直流12 V。电机长、宽、高为36 mm×19 mm×17 mm，两层电机交错90°布置。

装置在每次展示完成后，还需回收颗粒，以便进行下一次展示。本文采用了分离设计方案，即将16层有机玻璃板及其运动组件设计为一个整体，再与翻转回收机构相连。

翻转回收机构的动力选用了电动推杆，电压直流12 V，行程50 mm。电动推杆末端与一根旋转轴相连，旋转轴再与有机玻璃板组件安装架固定，通过电动推杆的伸缩运动，推动旋转轴旋转，从而使有机玻璃板组件倾斜一定角度，颗粒从有机玻璃板上落下，掉入回收漏斗中。经过测试，有机玻璃板组件及翻转回收机构运行良好，结构示意图如图1所示。

图1 有机玻璃板组件及翻转机构示意图

4.2 打印喷头组件设计

本装置中的打印载体是微小颗粒，不用考虑材料的热熔问题，但要保证颗粒能够均匀平稳投放到有机玻璃板上。要实现颗粒的平稳下落，需要特殊设计打印喷头。本装置中，打印喷头主要由漏斗、落料头、蜗杆、贯穿电机等组成。漏斗通过一个不锈钢管子与落料头相连，贯穿电机与蜗杆相连。颗粒从漏斗中沿管子落入落料头，不投料时，贯穿电机不运动，蜗杆抵住落料头出口；投料时，贯穿电机旋转，带动蜗杆运动，蜗杆中的螺旋齿带动颗粒往下投放。

目前市场上的3D打印机多采用步进电机、同步带、丝杆的组合方式实现打印喷头沿XY轴和沿Z轴的运动[2-3]。本装置中，打印喷头固定在一个光杆十字架结构上，十字架末端各固定一个滑块，每个滑块与一根丝杆连接，通过步进电机、同步轮、同步带驱动丝杆旋转，以此实现喷头XY轴的运动。同时，将打印喷头、丝杆、电机等零部件固定在一个框架上，框架末端通过两个螺母与Z轴方向的丝杆连接，并在框架的上下和两端各增加一个滑块，滑块再与光杆相连。Z轴丝杆与一个伺服电机相连，电机驱动丝杆旋转，以此实现打印喷头沿Z轴的稳定运动。结构示意图如图2所示。

图2 打印喷头组件结构示意图

4.3 模型识别

模型与识别区分离，采用非接触式近场通信的方案，目前主要有RFID、蓝牙、NFC红外等方式。NFC发展于RFID，其相比RFID传输范围小、能耗低、带宽高，相比红外更简单可靠，不用像红外那样必须严格对齐才能传输数据；蓝牙适用于较长距离数据通信，弥补了NFC传输距离上的不足[4]。

本文综合考虑，选用NFC技术，在识别区下方安装读卡器，5个异形模型底部安装识别卡，当观众将模型放入识别区，系统即可判断出放置的模型。

5 结语

该装置目前已由项目组织单位捐赠给国内某科技馆，运行良好，其采用在16层有机玻璃板上按照实物模型截面轨迹投放微小颗粒，直观、快速地模拟展示3D打印原理和过程，展示效果较真实的3D打印机或更为形象、有趣的纯多媒体视频，且效果有了较大提升。